微电子技术创造医疗产业奇迹

2011-09-05 10:54:44来源: 电子系统设计

  医疗诊断、治疗和理疗的长期预测看起来好像比根据最新的微电子传感器和感官移植体判断更加有益于健康。这些传感器和移植体可以让医务人员更好地了解病人的不适和疾病,同时针对具体的症状更快地提供更准确的诊断和治疗。这些进步背后所涉及的许多技术都源于微机电系统(MEMS)器件取得的进展。

  这些微机电系统元件的应用有望在接下来的几年里迅速增加。根据iSuppli公司Yole Développement的BioMEMS 2010报告,面向医疗应用的微机电系统技术市场将从2009年的12亿美元迅速爆增到2015年的45亿美元,相当于在2015年之前,每年的出货量都在10亿件以上。

  这些器件种类繁多,包括压力传感器、硅麦克风、加速度计、陀螺仪、光学MEMS和图像传感器、微流体芯片、微量分注器给药系统、流量计、IR温度传感器以及RFID、应力传感器和能量采集器等新兴的MEMS器件。

  一部分微机电系统已经商用或者正在推向市场。而目前正在开发的微机电系统有望在几年内进入市场。同时,现有的MEMS IC产品不断地在医疗领域的新兴应用中寻找用武之地。

  例如,Movea公司开发的小型惯性管理单元(IMU)采用MEMS三轴加速度计、陀螺仪和磁力仪传感器,可以帮助康复和健身活动实现高精度、无线九自由度测量。该公司现有的2.4GHz无线传输MotionPod采用尺寸为33×22×15mm3、重14g的完全集成型印制电路板(PCB)模块。

  该模块的尺寸基本上与小手表相当,通过夹在带子上轻松地附在人体上,或者直接附在人体上。多个MotionPod形成的网络可以同时采集人体不同部位的信息,适用于性能分析和全身动作捕捉等应用。

  “九轴传感能以一度的动态精度提供精确的实时角信息,”Movea公司首席执行官(CEO)Sam Guilaumé表示。

  另一个比较有意思的MEMS传感器是飞思卡尔半导体(Freescale)的MPL115A数字MEMS气压计。这款获得专利的器件本质上是通过确定海拔(即海拔越高,所需要的氧气越多,反之亦然)来节省呼吸机系统中的氧气和能量。它采用差分压力测量,可以用作进行负压伤口治疗的智能绷带(图2)。

图2:飞思卡尔的MPL115A等MEMS数字气压计可用作智能绷带,通过负差压测量进行疗伤。

  传统的模拟和混合信号IC甚至也归并到医疗传感应用中。TI的低功耗八通道24位ADS 1298R模拟前端专门针对用于心电图(ECG)、肌动电流图(EMG)和脑电图(EEG)的医疗仪器传感器中的生物电位测量而设计。本质上讲,这是一款片上心电图解决方案。

  接着往后看,密歇根大学的研究人员开发出了一款压电MEMS器件,这种器件可以产生比传统能量采集器多10倍的能量。该器件对于人体中的医疗移植体的供电以及汽车中的无线传感器网络而言有着非常重要的意义。

  这款大尺寸微机械器件与其它微型电路元件封装在一起,组成了一款具有27mm3微型封装的完整振动能量采集器。它可以采用介于14至155Hz之间的振动能量,1.5gs的振动可产生200μW左右的功率。

  该器件可以将超级电容器充电至1.5V。然后超级电容器代替电容对无线传感器进行上电。研究人员估计,这种能量采集器可以重复这个环节10至20年,并且质量不会下降。

  压电效应还可以用于采用氮化铝薄膜进行的超声波压力传感回声探测,可实现对活体组织的无创性测量。该技术由日本工业科技协会开发。厚度为40μm的薄膜可以直接测量接触压力,同时几乎不影响超声波的传输和接收。

  该传感器具有机械强度和耐用性。这是因为在两个内侧具有压电层的薄膜外部电极之间放置了单个内部电极,并且从外部完全屏蔽了两个外部电极之间的内部电极(图3)。

图3:这款超声波压力测量传感探头通过压电效应来实现人体组织的无创性测量。此探头由日本工业技术协会开发。

令人震撼的植入

  微型无源MEMS LC谐振器是CardioMEMS的Champion植入式装置的核心,这种植入式装置用于监测和治疗心力衰竭的首要致病因——动脉瘤(图4)。美国食品和药品管理局(FDA)已批准该器件可用于监测,并有望在不远的将来获得治疗许可。

  RF无线压力传感器不需要电池,因为它采用外部电感耦合供电。压力发生变化时会使传感器的薄膜发生偏斜,并改变LC电路的谐振频率,这可以从外部监测到。

  压力传感器及其无线天线通过导管插在心脏附近,这个手术只需要几分钟的时间。血压读数被发送到无线扫描仪中。如果几天以来所获取的血压读数在应有的范围之外,医生就会收到电话通知,以便进行进一步治疗。

  CardioMEMS(佐治亚理工学院的分支机构)生产电子阅读器、信号处理电路和传输电路。MEMSCAP供应这类装置的传感器、天线和封装。到目前为止取得了非常了不起的成绩。

  “使用Champion装置监测的病人的住院治疗率比目前的黄金护理标准低38%,”佐治亚理工学院教授、CardioMEMS公司联合创始人Mark Allen表示。

  内窥镜和机器人手术等许多手术正变得越来越简单,越来越容易进行,这得益于新设备的不断开发。葡萄牙公司Awaiba Lda开发了一款可以根据医疗应用的低功耗要求进行定制的晶圆级数字CMOS图像传感器。Nan Eye摄像头尺寸仅0.5×0.5 mm2,大致相当于一个火柴头的大小,该摄像头在40frame/s的帧速率下具有140×140像素的分辨率(图5)。

  

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关键字:创造  医疗  产业  奇迹

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0905/article_2344.html
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